高精度時間同步技術的實現與應用方案分享

在自動駕駛快速從L2向L3、L4級別發展，微秒級甚至納秒級精度的時間同步已成為系統性能的核心指標之一。多傳感器融合場景下，激光雷達、攝像頭、毫米波雷達等設備的時空對齊依賴統一的時間基準；而在復雜工業環境中，電磁干擾、時鐘源故障等風險對時間同步的可靠性提出了更高要求。

本文分享 PSB（Platform Sync Board）與 QX550 組合方案，基于硬件級時間同步架構與冗余設計，為上述挑戰提供了系統性解決方案。

一、PSB+QX550方案架構

PSB+QX550 方案中，QX550 作為 PCIe 3.0 x8 網絡卡，搭載雙 Intel X550-AT2 控制器，提供 4 個 10Gbase-T 接口，支持 IEEE 1588v2（PTP）和 802.1AS-2020（gPTP）協議。配套的 PSB 模塊則通過 Intel i210IT 芯片、u-blox GPS 模塊及PPS（脈沖每秒）接口，實現硬件級時間戳同步與多源時間校準。

兩者通過 OCuLink 線纜實現數據與時鐘信號的低延遲傳輸，結合 XTSS（eXtended Time Synchronization Service）軟件套件，構建了 “高精度同步 + 多源冗余 + 失效容錯” 的完整技術鏈路。

圖1：PSB+QX550

二、核心技術特性

1、多傳感器融合時間對齊：硬同步與全域協同

PSB+QX550 方案通過XTSS 服務實現跨設備的亞微秒級時間同步，其核心由 CTSS（Cluster Time Synchronization Service）和 PTSS（Platform Time Synchronization Service）組成：

（1）PTSS 平臺同步：利用硬件時間戳技術，同步同一設備內的多個以太網接口（如 QX550 的 4 個 10G 接口），確保多傳感器數據采集時戳與系統時鐘的一致性。例如，在自動駕駛測試中，可實現激光雷達點云數據與攝像頭視頻流的時間對齊，消除傳感器間的時序偏差。

圖2：PTSS平臺同步

（2）CTSS 集群同步：通過 (g)PTP 協議實現跨設備集群同步，支持主從模式下的時間分發。QX550 Master 通過 PPS 同步線纜連接最多 3 個 Slave 設備（如其他 QX550 或第三方 XTSS 兼容設備），形成星型同步網絡，滿足分布式傳感器陣列的全局時間統一需求。

圖3：CTSS集群同步

2、復雜環境下時間源可靠性：多源冗余抗干擾

PSB 模塊通過多元化時間源配置，提升復雜環境下的同步可靠性：

（1）GPS 與外部時鐘冗余：內置 u-blox GPS 模塊支持 NMEA 協議，通過 GPS antenna (端口4) 接口接收衛星信號，提供 UTC 時間基準；同時SER/PPS（端口2）支持外部 PPS 信號輸入（如慣導或其他 grandmaster 時鐘），通過隔離設計，抵抗工業環境中的電磁干擾。

圖4：PSB多源時間同步配置

（2）時鐘源無中斷切換機制：當 GPS 信號失效時，系統作為從時鐘仍同步至網絡主時鐘；若設備因此成為主時鐘，則自動切換至內部振蕩器（基于 QX550 硬件計數器），并通過‘Local Oscillator Hot Standby’維持最后已知的有效時間基準，避免主從切換導致的同步中斷。

3、時間同步的失效容錯：靜態配置與動態監測

方案通過多重容錯機制保障系統魯棒性：

（1）靜態端口狀態配置：通過 XTSS Configurator 設置接口的固定端口狀態（Master/Slave/Disabled），強制指定主時鐘節點，避免因 BMCA（最佳主時鐘算法）協商失敗導致的同步失效。例如，在關鍵工業場景（如自動駕駛數據采集）中，可鎖定某一 QX550 為永久 Master，防止因網絡波動導致的主從切換。

（2）時間偏差閾值監測（偏差矯正）：XTSS 實時監測本地時鐘與主時鐘的偏差，當超過預設閾值（如 1000ns）時，標記狀態并自動重新同步。結合 “Force AS capable” 功能，即使路徑延遲測量失效，仍強制發送同步消息，確保緊急情況下的最小同步精度。

圖5：GPS時間源下偏差矯正示意圖

（3）多域隔離機制：支持最多 10 個 PTP 域并行運行，不同域的時間同步相互獨立。例如，可將安全關鍵型傳感器與非關鍵設備劃分至不同域，避免單一域的故障影響全局系統。

三、應用案例

在自動駕駛數據采集過程中，常采用慣導（RTK）作為授時源并輸出自車姿態數據。此外，慣導數據應與各傳感器（相機、激光雷達等）數據時間戳對齊。這時就需要在數據采集平臺上有這么一個模塊，完成各個傳感器時域統一。

以華測慣導CGI430為例，它支持PPS+GPRMC方式完成授時，與PSB+QX550模塊鏈接，進而完成整個系統的時間同步。

圖6：慣導授時

四、總結

隨著大家普遍認同硬件時間戳的不可替代性以及多源冗余架構的必要性，目前自動駕駛時間同步技術發展趨勢已經從“是否需要同步” 轉向 “如何在復雜場景下實現穩定同步”，更聚焦于時間同步是否滿足“高精度、高可靠、易集成”。

對于工程師而言，方案的可實施性和故障容錯能力是關鍵。比如PSB+QX550采用即插即用的設計，可以有效的應用到不同測試方案中實現系統時間同步。基于偏差矯正的能力，可以避免時鐘源偏差。

未來，隨著 5G-A 和車路協同的普及，時間同步將從 “車載剛需” 延伸至 “全域協同”，推動行業向納秒級精度邁進。